Kjálkakerfi í vindmyllum og ávinningur þess
Vindorka hefur orðið mikilvægur þáttur í umbreytingunni yfir í hreinni orkugjafa. Á bak við einföld blöð vindmyllu eru ýmis stjórnkerfi sem tryggja að hún nýti vindorku á sem bestan og öruggan hátt. Eitt mikilvægasta kerfið er sveiflukerfið (e. yaw). Þetta kerfi ber ábyrgð á að stilla vélarhús og snúningsás þannig að þau snúi alltaf í vindáttina. Án rétt starfandi sveiflukerfis mun túrbínan missa skilvirkni, verða fyrir miklu vélrænu álagi og hugsanlega bila fyrir tímann. Þessi grein fjallar um hvað sveiflukerfi er, hvernig það virkar, helstu íhluti þess og ávinning þess fyrir afköst og líftíma vindmyllu.
Að skilja kjálkakerfið í vindmyllum
Einfaldlega sagt er snúningshreyfing túrbínu um lóðréttan ás sinn til að aðlaga stöðu snúningshlutans miðað við vindátt. Meginmarkmiðið er að tryggja að snúningshlutinn snúi að vindinum (upp í vind) á flestum nútíma túrbínum, sem tryggir að blöðin fái jafnt loftflæði og framleiði hámarksafl. Þegar snúningshlutinn er ekki í takt við vindáttina (misstilling snúningshlutans) fer hluti af orku vindsins til spillis og loftaflfræðilegir kraftar verða ójafnvægir.
Flestar vindmyllur í stórum stíl eru með virk sveiflukerfi, sérstaklega láréttása vindmyllur (HAWT). Í minni hverflum er sveiflukerfið stundum óvirkt og notar halablað til að stýra snúningshlutanum náttúrulega inn í vindinn, en þessi aðferð er almennt ófullnægjandi fyrir stærri hverfla vegna nákvæmnikrafna, álags á burðarvirki og öryggisþátta.
Af hverju verður túrbínan alltaf að snúa að vindinum?
Vindur er breytilegur: stefna hans og hraði breytast vegna landslags, ókyrrðar, hitastigsmunar og áhrifa bygginga eða annarra vindmylla á vindmyllugarðinum. Þegar vindmylla snýr ekki að vindinum er hornið sem vindurinn fellur á snúningsásinn ekki kjörinn. Áhrifin eru meðal annars:
1. Aflslækkun: Skekkjustilling veldur lækkun á aflstuðlinum. Við vissar aðstæður getur frávik upp á aðeins nokkrar gráður dregið úr árlegri orkuframleiðslu.
2. Ójafn álag: Skrúfan verður fyrir ósamhverfum kröftum, sem eykur efnisþreytu á blaðinu, hjólnaflinum, hjólnaflinum og turninum.
3. Titringur og hávaði: Ójafn flæði getur aukið staðbundna ókyrrð í snúningshlutanum, sem veldur meiri titringi og hávaða.
4. Hætta á íhlutum: Aukinn álag eykur slit á legum, gírkassa og öðrum gírkassakerfum.
Þess vegna er girsing mikilvægur hluti af stjórnunarstefnu túrbínu, ásamt stjórnun á halla blaðsins og stjórnun rafalsins.
Helstu þættir kjálkakerfisins
Gírkerfið í nútíma vindmyllum samanstendur af nokkrum vélrænum og rafmagnslegum íhlutum sem virka saman á samþættan hátt:
1. Göngulegur
Stór, hringlaga legur gerir naselunni kleift að snúast miðað við topp turnsins. Þessi legur þolir þungar byrðar frá snúningshlutanum og naselunni en gerir jafnframt kleift að snúast mjúklega.
2. Gírdrif / gírmótor (gírdrif)
Rafmótor (oft nokkrar einingar) snýr vélarhúsinu í gegnum gírkassa og tannhjól sem grípur inn í hringhjólið á girðingarlegunni. Notkun margra mótora gerir kleift að dreifa togkrafti og auka afritun.
3. Gírbremsa (gírbremsa)
Bremsukerfi heldur vélarhúsinu í ákveðinni stöðu til að koma í veg fyrir hreyfingu vegna vindhviða eða breytinga á togi. Gírbremsur eru nauðsynlegar fyrir stöðugleika, draga úr sliti og koma í veg fyrir stjórnlausar hreyfingar.
4. Göngustýring
Sá hluti stýrikerfisins í túrbínu sem ákveður hvenær á að sveiflast. Stýringin les gögn úr skynjurum og ákvarðar virkni mótorsins og bremsunnar.
5. Vindáttarskynjari (vindsproti) og vindmælir
Vindsproti mælir vindátt en vindmælir mælir vindhraða. Þessi gögn þjóna sem aðalviðmiðun til að stilla stefnu túrbínunnar.
6. Rennihringur / sveigjanlegt kapalkerfi
Þar sem vélarhúsnæði snýst þarf að halda rafmagns- og merkjastrengjum í skefjum til að koma í veg fyrir að þeir flækist. Rennihringir eða kapalstjórnunarkerfi tryggja að framboð og samskipti séu virk meðan á sveifluhreyfingum stendur.
Hvernig kjálkakerfið virkar
Almennt séð virkar girðingarkerfið út frá meginreglunni um afturvirka stýringu. Hér er einfalt ferli:
1. Skynjarinn mælir vindáttina og ber hana saman við núverandi stefnu snúningsrotorsins.
2. Ef frávikið fer yfir ákveðið þröskuld (t.d. nokkrar gráður) virkjar stjórnandinn girmótorinn.
3. Gírbremsan er sleppt og vélarhólkurinn snýst hægt þar til hann nálgast vindáttina.
4. Þegar æskilegu vikmörkum er náð stöðvast mótorinn og girbremsan læsist aftur.
Kjálkakerfið er ekki alltaf á hreyfingu. Ef vindurinn breytist lítillega og hratt getur stöðug kjálka í raun valdið sliti á íhlutum. Þess vegna notar kjálkastýring venjulega histeresíu eða seinkunarrökfræði til að kjálka aðeins þegar stefnubreytingin er veruleg og stöðug.
Tegundir kjálkaaðferða
Í reynd eru nokkrar girðingaraðferðir notaðar eftir hönnun túrbína og aðstæðum á staðnum:
– Virk girjun: notar mótora og sjálfvirka stýringu, mikið notað í stórum túrbínum.
– Óvirkur girðing: notar hala eða loftafræðilega hönnun, algeng í litlum túrbínum.
– Frjáls girðing með dempara: hjólhýsið getur snúist frjálsar en er samt stjórnað af dempara til að koma í veg fyrir óhóflegar sveiflur.
– Stýrð rangstilling kjálka: Í vindorkuverum eru túrbínur stundum vísvitandi örlítið rangstilltar til að draga úr áhrifum kjölfestu og auka heildarframleiðslu eldisstöðvarinnar (hugtakið kjölfestustýring). Þetta er háþróuð aðferð og krefst nákvæmrar líkanagerðar og stjórnunar.
Kostir kjálkakerfis fyrir vindmyllur
1. Auka orkuframleiðslu
Helsti ávinningurinn af snúningshreyfingunni er að halda snúningshreyflinum í bestu mögulegu stefnu, sem gerir túrbínunni kleift að nýta eins mikla vindorku og mögulegt er. Á vindorkuverskala geta stöðugar umbætur á snúningshreyfingunni aukið árlega orkuframleiðslu verulega, sérstaklega á stöðum þar sem vindáttarbreytingar eru tíðar.
2. Minnkaðu þreytuálag og lengdu líftíma túrbínu
Nákvæmur girðing hjálpar til við að draga úr ójafnvægiskrafti á snúningsásinn og turninn. Minnkuð þreytuálag þýðir að íhlutir eins og blöð, legur og turnvirki verða fyrir minni álagi til lengri tíma litið, sem eykur endingartíma þeirra og dregur úr hættu á bilunum.
3. Viðhalda rekstrarstöðugleika og öryggi
Í miklum vindi eða ókyrrð virkar sveiflukerfið ásamt hallastýringu og verndarkerfum til að halda túrbínunni innan öruggra rekstrarmarka. Stýrð sveiflu dregur úr líkum á skyndilegum hreyfingum sem gætu stofnað íhlutum eða viðhaldsfólki í hættu.
4. Draga úr viðhaldskostnaði og niðurtíma
Þegar rafmagnið virkar rétt minnkar slit á vélrænu kerfi og tíðni rafmagnsleysis. Þetta þýðir lægri viðhaldskostnað, styttri niðurtíma og aukið rekstraröryggi – sem eru mikilvægir þættir fyrir vindorkuverkefni sem miða að mikilli afkastagetu.
5. Styðjið hagræðingu vindorkuvera
Í stórum vindmyllugörðum getur eftirstreymi frá fremri hverflinum dregið úr afköstum hinnar aftari. Með aðferðum eins og eftirstreymisstýringu er hægt að nota sveifluhreyfingu (yaw) á stefnumiðaðan hátt til að beina sveiflunni frá öðrum hverflum og þar með auka heildarframleiðslu eldisstöðvarinnar. Þótt hún sé ekki alltaf framkvæmd sýnir þessi þróun að sveifluhreyfing er ekki aðeins mikilvæg fyrir einstakar hverfla, heldur einnig til að hámarka stór orkukerfi.
Áskoranir og atriði sem vert er að huga að
Þrátt fyrir gríðarlegan ávinning standa sveiflukerfi einnig frammi fyrir ýmsum áskorunum. Íhlutir eins og sveiflulegur og drif virka undir miklu álagi og í erfiðum umhverfisaðstæðum (rakastigi, ryki og hitasveiflum). Léleg smurning, ónákvæmir skynjarar eða of árásargjarn stýringar geta valdið skemmdum og hraðað sliti. Þess vegna eru ástandseftirlit, regluleg eftirlit og kvörðun skynjara mikilvæg fyrir stjórnun nútíma vindmyllna.
Lokun
Gírkerfið er „háls“ vindmyllu og tryggir að snúningshlutinn snúi alltaf rétt að vindinum. Með samsetningu skynjara, stýringa, mótora, bremsa og stórra lega hjálpar gírkerfið vindmyllunni að framleiða hámarksorku og viðhalda jafnframt viðráðanlegum burðarálagi. Kostirnir eru meðal annars aukin orkuframleiðsla, lengri líftími íhluta, aukið öryggi, lægri viðhaldskostnaður og tækifæri til að hámarka vindmylluframleiðslu með háþróaðri aðferðum. Á tímum vaxandi endurnýjanlegrar orku er gírkerfið ekki bara valfrjáls eiginleiki heldur lykilþáttur í skilvirkni og áreiðanleika vindmyllu.
